【技术帖】板材厚度组合对CFRP-Al自冲铆接头底切值的影响

车身轻量化是汽车节能降耗的重要途径，尤其在目前新能源汽车迅速发展的背景下，车身的轻量化在提升续航里程、改善车辆操控性能等方面具有重要意义[1-2]。随着车身轻量化的不断发展，传统以钢材料为主的车身，逐渐被以铝合金、复合材料及高强钢等轻量化材料混合结构的车身所取代[3]。其中，碳纤维复合材料(Carbon Fibre Reinforced Plastics，CFRP)和铝合金具有良好的比强度和比模量以及碰撞吸能性能，在轻量化车身中得到了推广和应用[4-5]，如何实现CFRP和铝合金之间的有效连接，则成为混合材料车身制造的重要环节[6]。

目前，CFRP和铝合金之间的连接工艺主要有焊接、铆接和胶接[7]，其中，自冲铆(Self-Piercing Riveting，SPR)连接工艺更容易实现自动化，具有较高的效率和稳定性，同时接头也具有良好的强度和能量吸收性能，从而成为研究和开发的重点方向[8]。在针对CFRP和铝合金的自冲铆工艺的研究中，已有学者针对搭接顺序[9-10]、复合材料层铺结构[11-12]以及铆钉结构尺寸 [13-15]对接头性能的影响规律进行了研究；而针对CFRP材料的特殊结构和连接性能，有研究者提出了CFRP和铝合金的温热自冲铆[16-17]、电磁自冲铆[18]、后固化自冲铆[19]和胶铆复合连接[20]等改进工艺，以寻求接头性能的提升和改善。而实际应用中，通常存在不同厚度的CFRP及铝合金板材组合的连接需求，实践和研究结果表明，CFRP及铝合金板材厚度组合对接头的成形结构，尤其是对决定接头强度和疲劳性能最为关键的参数—底切值的形成，具有重要的影响[9]。本文针对不同板材厚度组合的CFRP-Al板自冲铆连接开展试验研究，分析总结了板厚组合对底切值及其成形过程的影响规律及机理，提出了底切值改善的途径，旨在为CFRP-Al的自冲铆连接工艺的优化和推广应用提供参考。

1.1 自冲铆连接工艺

自冲铆工艺过程如图1所示[21]，压边圈和铆模共同将待连接板压紧，冲头推动铆钉下行穿透待连接的上板后刺入下板，在冲头和铆模作用下，铆钉与下板共同发生塑性变形并形成机械内锁结构，完成上、下板的连接。

图1 自冲铆工艺流程[21]
Fig.1 Process of SPR[21]

试验采用Henrob自冲铆设备，以及配套的铆钉和铆模。其中，Henrob铆接设备通过调控冲铆速度赋予冲头不同的动能，以调控铆钉的刺入深度。所用铆钉为沉头结构，有半空心铆钉和空心铆钉两种，其基本结构和尺寸相同，区别在于钉头部分是否开钉头孔，如图2a和图2b所示。铆钉长度L可调整(相邻型号铆钉长度间隔0.5 mm)，试验主要采用4级硬度铆钉，硬度范围为450～510 HV。铆模采用平底结构的DG10160，结构如图2c所示，铆模深度dm为2.0 mm，铆模直径rm为Φ10.0 mm。

图2 自冲铆典型沉头半空心铆钉(a)、空心铆钉(b)和平底铆模(c)结构示意图
Fig.2 Typical structure diagrams of countersunk semi-hollow rivet (a)，hollow rivet (b) and flat bottom rivet die (c) of SPR

1.2 试验方法

对于CFRP-Al板的自冲铆连接，一般采用CFRP作为上板，铝合金作为下板的连接顺序[9-10]。典型的自冲铆接头剖面结构如图3所示，主要接头结构参数有底切值、残余厚度以及钉头余高。主流整车企业对已成熟应用的铝合金板之间(下板厚度大于1.5 mm)自冲铆工艺接头质量控制要求为[22]：钉头余高-0.5～0.3 mm，残余厚度大于0.2 mm，且平均底切值大于0.4 mm，本文参考此标准对CFRP-Al板的自冲铆接头成形结构进行判断和分析。接头结构的关键参数中，残余厚度及钉头余高通过协调铆钉长度及冲铆速度即可实现控制，而底切值作为决定接头机械互锁强度的最为关键的结构参数[23-25]，也最为难以调控，因而作为试验探索的重点。

图3 典型自冲铆接头结构
Fig.3 Typical structure of SPR joints

试验的原则为，针对不同板厚组合，首先协调铆钉和冲铆速度参数，将接头余高控制在0～0.1 mm范围，并保证残余厚度大于0.3 mm，在此基础上，对比CFRP和铝合金的不同板材厚度组合情况下接头底切值的变化规律。具体试验设置如下，分别固定一侧待连接板的厚度，调整另一侧待连接板厚度，形成不同板厚组合的搭接接头，观测总结接头结构及底切值的变化规律，结合底切值的形成机制，解释变化规律背后的机理。同时为保证试验结果的可对比性，且钉长随着总板厚的增加而增加，并始终保持钉长比总板厚值大2.0 mm，从而把影响因素限定在板厚组合这一参数上，如表1所示。

表1 对比试验工艺参数设定
Tab.1 Comparative test process parameters

对比试验1～试验3，固定CFRP上板厚度为2 mm，分别匹配相应长度的铆钉，对铝合金下板厚度为1.5、2.0和2.5 mm的板材组合进行自冲铆连接，沿铆钉径向剖开接头，观测接头结构和底切值的变化规律，接头刺入下板深度的测量方式如图3所示，接头结构和关键尺寸变化如图4和图5所示。结果显示，在保证钉头余高和残余厚度的情况下，随着下板厚度的增加，底切值明显增加；同时对比钉脚刺入下板的深度可以看出，随着下板厚度的提升，钉脚内侧和外侧刺入下板的深度也显著增加。

图4 不同下板厚度下接头成形结构
(a)1.5 mm (b) 2.0 mm (c) 2.5 mm
Fig.4 Joints forming structures with different lower plate thicknesses

图5 下板厚度变化对接头结构关键尺寸的影响
Fig.5 Influence of lower plate thickness variation on key dimensions of joint structure

通过对CFRP-Al板自冲铆过程中底切值形成机理的分析可知[26]，铆钉的钉脚在刺穿CFRP上板的过程中并不张开，钉脚的张开和底切值的形成主要发生在其刺入铝合金下板的过程中，且底切值的形成主要与钉脚刺入铝合金下板过程中钉脚内侧受到的阻力p以及钉脚脚尖受到的局部力矩T有关，如图6所示[26]。其中，阻力P有助于钉脚的张开和底切值的增加，且随着铆钉内侧刺入下板深度Li增加，底切值呈现加速提升的态势。而钉脚外侧受到的阻力P1和下板包裹钉脚外侧的长度(即图3中钉脚外侧刺入下板深度Ls)则构成了钉脚脚尖受到的局部力矩T，同样有助于钉脚脚尖的向外弯折及底切值的改善，且钉脚外侧刺入深度Ls越大，则力矩T的力臂越长，对底切值的提升效果越明显。

图6 底切值形成机制示意图[26]
Fig.6 Schematic diagram of undercut value formation mechanism [26]

钉脚刺入下板的深度理论上与铆钉长度和下板厚度值有关，提升铆钉长度则其刺入下板的深度也将增加，然而铆钉长度的增加也容易导致接头残余厚度过小，甚至钉脚刺穿下板造成连接失效。在保证接头残余厚度值且限定钉长与总板厚匹配的前提下，下板的厚度则决定了钉脚刺入下板深度的上限，下板厚度增加，则在接头结构中钉脚内侧和外侧能够刺入下板的深度也将随之提升，因而钉脚底切值也随之增加。当下板厚度过小时，铆钉钉脚内侧和外侧能够刺入下板的深度则受到了限制，从而底切值的上限也受到限制，难以得到有效提升。因而，在自冲铆连接质量控制标准制定中，对底切值的要求也需考虑下板的厚度，如Al-Al板自冲铆连接时，对下板厚度小于1.5 mm的情形，底切值的要求标准也有所下降[22]，同时也需保证下层板厚度应超过整个板材组厚度的1/3[27]，以确保底切结构能够形成。

对比试验2、试验4和试验5的结果可以发现，当固定下板厚度为2 mm，上板厚度分别为1、2和3 mm时，此3种板材厚度组合形成的接头结构中，钉脚内侧和外侧刺入下板的深度都随着上板厚度的增加而降低，底切值也随之下降，如图7和图8所示。进一步对比接头结构发现，随着上板厚度的增加，接头中铆钉钉孔下方位置的下板的整体厚度逐渐下降，如图7所示，分析认为，这一变化主要与自冲铆过程中，钉脚刺穿上板切割下来并堆积在钉孔内部的上板残余材料对下板的挤压作用有关。

图7 不同上板厚度下接头成形结构
(a) 1.0 mm (b) 2.0 mm (c) 3.0 mm
Fig.7 Joints forming structures with different upper plate thicknesses

图8 上板厚度变化对接头成形结构关键尺寸的影响
Fig.8 Influence of upper plate thickness variation on key dimensions of joint structure

在CFRP-Al板自冲铆连接时，铆钉在刺穿CFRP上板过程中钉脚脚尖将CFRP上板材料切断，形成了CFRP上板的残余材料，如图9a所示，随着铆钉的下行，被挤压进半空心铆钉的钉孔内部，并在铆钉刺入铝合金下板过程中对钉孔下方的下板材料产生挤压作用。为了分析钉孔内部的残余材料对下板的挤压作用以及挤压作用与CFRP上板厚的关系，需对不同上板厚接头情况下钉孔内的残余材料的体积和对铆钉钉孔空间体积进行计算和比较，并做一些近似和假设。

图9 钉脚切割CFRP上板(a)及铆钉钉孔体积简化示意图(b)
Fig.9 CFRP upper plate cutted by rivet shank (a) and schematic diagram of simplification of rivet hole volume (b)

由于碳纤维复合材料，尤其是作为主要增强体的碳纤维的延展性较差，同时，铆钉钉脚在刺穿CFRP上板过程并不发生变形，圆形的钉脚脚尖对CFRP上板的切割较为整齐，如图9a所示，因此，可以假设CFRP上板被脚尖切割下来的残余材料为圆柱体，此圆柱体的底面直径即为铆钉的脚尖直径d2，如图9b所示，圆柱体的高则是CFRP上板厚度lu，因此，残余材料的体积VC可以由式(1)计算得到。而对于不同长度L的铆钉钉孔内部空间体积VIn，为方便计算，则可以忽略钉孔内顶部的圆角面r3，如图2a所示，同时将钉脚脚尖内侧的圆弧r1近似为直线，从而将钉孔内空间近似分割为圆柱体V1和凸台V2两部分，如图9b中的虚线包围部分，如此，钉孔内部空间体积VIn的近似计算如式(2)所示。

(1)

(2)式中：d1为钉孔内圆柱体空间的直径；l1为钉头厚度；l2为钉孔内凸台体空间高度；l3为钉孔内圆柱体空间的高度。

通过图2a中铆钉结构和尺寸可知，钉头厚度l1、钉孔内圆柱体空间的直径d1和脚尖处直径d2都为定值，并不随铆钉长度L的变化而变化，结合上述已知参数，通过对图2a中铆钉剖面结构计算可以得到铆钉钉脚开口深度(即钉孔内凸台体空间高度)l2≈1.7 mm，则钉孔内圆柱体空间的高度l3=L-l1-l2，如图9b所示。由此，可以计算得到不同上板厚度情况下，钉脚脚尖切割下来的上板残余材料体积VC，以及与总板厚相匹配的相应长度L的铆钉钉孔内部空间体积VIn，此两部分体积及其比值R随着上板厚度lu的变化如图10所示。

图10 残余材料体积VC、钉孔空间体积VIn及两者比值R随上板厚度lu的变化
Fig.10 Variation of residual material volume VC，rivet hole space volume VIn and their ratio R with thickness of upper plate lu

可以看出，随着上板厚度的增加以及相应的铆钉长度增加，虽然残余材料体积VC和铆钉钉孔内部空间体积VIn都随之提升，但残余材料体积VC的增加速度高于钉孔内部空间体积VIn的增加速度，因此，两者的比值R随着上板厚度和相应的铆钉长度的增加而增加，并在上板厚度增加至3.5 mm时，比值R接近1.0，此情况下，当铆钉完全刺穿上板后，上板被切割下来的残余材料已经几乎能够完全填充铆钉钉孔的空间。

若CFRP上板厚度较小，其残余材料并未完全填充钉孔空间，当铆钉脚尖刺入下板时，钉孔内尚能容纳钉脚切割出的下板材料，从而钉脚内侧和外侧都能够刺入下板一定的深度。而随着上板厚度增加，尤其当上板的残余材料几乎填满钉孔空间时(R≈1)，当钉脚刺入下板时，钉孔内的残余材料直接受到3个方向的压力，其体积尤其是材料厚度方向体积则难以被压缩和变形，随着铆钉的下行并开始进入下板，钉孔内的残余材料将会连同钉脚一起压缩铆钉钉孔下方的下板厚度，此时钉脚刺入下板的深度受到限制，如图7所示，从而导致接头底切值明显下降。如此以来，即便原始板材搭接组合的下板厚度相同，实际自冲铆过程中，铆钉钉孔下方的下板厚度也会不同程度受到钉孔内上板残余材料的压缩，从而在接头成形过程中，限制钉脚内侧和外侧刺入下板的深度及底切值的增加，如图8所示。

综上可知，对于CFRP-Al板半空心铆钉的自冲铆连接而言，由于受到下板的原始厚度限制或者钉孔内上板残余材料对下板的压薄作用的影响，接头的底切值的上限会随着铝合金下板的原始厚度的降低而降低，也随着CFRP上板和铝合金下板厚度之比的增加而降低。在实际试验和应用中则表现为：接头的关键结构尺寸，尤其是底切值能够满足质量标准的工艺窗口宽度明显收窄，即铆钉和铆模的组合以及冲铆速度等参数的可选择范围收窄，甚至对于厚度较小的铝合金下板(小于1.5 mm)或者CFRP上板和铝合金下板厚度之比大于1.5的板厚组合，接头底切值几乎难以提升至满足标准要求，从而无法获得合适的工艺规范。

在CFRP-Al的自冲铆连接质量控制标准制定中，对于铝合金下板原始厚度较小(如小于1.5 mm)的应用场景，由于板材强度本身较低，对其接头的互锁强度及底切值的要求也可适当降低。但对于铝合金下板大于2.0 mm且CFRP上板和铝合金下板的厚度比值较大的情形，如试验5和试验6所示，其对接头强度和底切值有较高要求，为了获得良好的接头成形结构，可选择采用空心铆钉来替代常规的半空心铆钉。采用空心铆钉时，在自冲铆过程中钉孔内的上板残余材料能够从钉头孔处挤出，降低对钉孔下方的下板的挤压作用，更大程度保持原有下板的厚度，从而显著提升钉脚刺入下板的深度并改善接头底切值，接头结构对比如图11所示。

图11 半空心铆钉(a)和空心铆钉(b)的自冲铆接头结构对比
Fig.11 Comparison of SPR joint structures between semi-hollow rivet (a) and hollow rivet (b)

(1) 对于CFRP-Al板的自冲铆连接，在保证钉长与总板厚相匹配以及接头整体成形的前提下，铝合金下板的厚度会限制钉脚刺入下板的深度并决定底切值的上限，上板厚度不变时，底切值会随着铝合金下板厚度的下降而下降。

(2) 在CFRP-Al板半空心铆钉自冲铆过程中，铆钉钉脚切割CFRP上板形成的残余材料堆积于钉孔内，并在钉脚刺入铝合金下板过程中对下板产生挤压作用，且随着CFRP上板厚度的增加，钉孔内的残余材料对下板的挤压作用更加显著，并实际上导致钉孔下方的下板材料厚度下降，从而降低钉脚刺入下板的深度及接头的底切值。

(3) 对于CFRP上板和铝合金下板厚度之比大于1.5且对底切值有严格要求的中厚板组合，当采用常规的半空心铆钉时，接头成形过程中，钉孔下方的下板厚度被严重压缩，导致底切值过小而无法获得良好成形的接头，而采用空心铆钉替代半空心铆钉则能够显著降低接头中钉孔下方下板的压缩量并改善底切值。